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春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系研究.docx
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春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系研究.docx
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IPCC 第五次报告进一步确认了全球气候变暖的事实
[ 1]
,极端降水、高温、
大风、沙尘暴等极端气候事件在过去半个世纪均表现为增多增强的趋势,21
世纪末中纬度地区极端天气和气候事件的频率或强度将继续增加,大范围持续
强降水事件的频繁发生往往易引发泥石流和山体滑坡等自然灾害
[ 2-4]
,给社会
经济和人民生命财产带来严重影响。近年来研究表明:我国极端降水呈现增多
趋势
[ 5]
,极端降水的频次、降水量及强度也均呈上升趋势
[ 6]
,且年降水量的
变化主要是由极端降水量的变化导致的
[ 7]
,极端降水给生态环境、人民安全
带来了严重的影响
[ 8]
,如 2010 年甘肃省舟曲县持续极端降水造成的泥石流灾
害
[ 9]
,2012 年北京“7∙21”大暴雨造成的城市内涝等
[ 10]
。极端降水事件增多在
气候变化敏感和脆弱的地区更为显著,尤其在西北地区,极端降水量和频次明
显增加
[ 11-13 ]
,新疆作为干旱与半干旱区,大部分站点表现出极端降水频率增
长的趋势,且主要集中在北疆及南部偏北地区,且山区极端降水强度大,平原
地区极端降水频数多
[ 14-19]
。
极端降水事件的增加与大气环流形势有着密切的关系,大气环流异常是造
成天气气候变化的直接原因
[ 20]
,极端降水的变化与大气内部的动力作用和能
量传播密切相关
[ 21]
。西北地区的夏季降水与冷空气条件和水汽来源密不可分
[ 22]
,南亚高压、乌拉尔山脊、蒙古气旋、西太平洋副热带高压的强弱对西北
地区夏季降水有很大影响
[ 23]
,水汽接力输送是西北干旱区暴雨发生的重要条
件
[ 24]
。而大气环流异常是与海温等大气外强迫变化相联系的,海洋变化对气
候响应敏感的干旱地区影响显著
[ 25]
,对降水的影响主要是通过环流对海温的
响应表现出来的。已有大量研究表明:亚洲干旱与半干旱区的降水与南北纬 10°
之间三个大洋暖池区域的海温存在显著的正相关,与东印度洋暖池海温的相关
性最高,其次是西太平洋暖池的海温
[ 26]
,北太平洋、印度洋和南海地区以及
赤道中东太平洋区域作为三个影响我国降水的关键地区
[ 27-30 ]
,当北太平洋关
键海区 1、2 月海温异常偏高时,江淮北区 6—7 月降水偏多
[ 31]
,当春季印度
洋海温异常偏高时,通过影响夏季东亚环流、西太平洋副热带高压位置,进而
影响我国的降水分布
[ 32]
,印度洋海温一致增暖是造成我国雨带南移的原因之
一
[ 33 ]
,并且同期热带印度洋海温异常与南亚高压强度变化有很好的关系
[ 34-
35]
。
受气候增暖的影响,新疆极端降水指标基本上在 1986 年、1987 年发生突
变
[ 36-37]
,北疆的极端指数变化比其他地区显著
[ 38]
,已有研究表明:新疆降水
年代际和年际的异常增多,主要是由于高、中、低纬系统、西亚西风急流和中
亚低值系统的活跃
[ 39]
,北疆夏季降水与南亚高压伊朗高压型有重要关系
[ 40]
,
并且北疆夏季降水变化与前期冬末至春季的北印度洋、西太平洋暖池及黑潮区、
热带中东太平洋、北大西洋和热带大西洋海温敏感区密切联系,前期冬季、春
季热带印度洋暖海盆使得新疆至巴尔喀什湖上空为异常气旋型环流,西北地区
东部 5 月降水异常偏多
[ 41]
;前期春季海温异常与北疆夏季降水变化的联系最
显著
[ 42]
,但是北疆夏季极端降水与热带海温相关联系的研究并不详细,海温
敏感区的协同影响或单独影响并未开展探讨。本文基于北疆 47 个观测站的日
降水资料,分析春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系,并讨论春季热带海
温关键区对北疆夏季极端降水的影响及夏季大气环流特征。
1 数据与方法
1961—2017 年北疆 47 站逐日降水数据由全国综合气象信息共享平台提
供,首先对获取的逐日降水资料进行简单的质量控制,剔除了夏季(6—8 月)
北疆降水数据缺测值超过 5%的站点,用于本文研究的北疆观测站点分布见图 1。
同时选取了 1961—2017 年 NOAA(美国国家海洋大气管理局)提供的水平分
辨率为 1°×1°的全球月平均海洋表面温度(Sea Surface Temperature, SST)
数据,并取 30° S~30° N 的区域用于研究。本文使用环流资料为 NCEP/NCAR
(美国国家环境预报中心和大气科学研究中心)提供的月平均再分析资料,分
辨率为 2.5°×2.5°,时间选取 1961—2017 年,要素包括高度场、风场、比湿
场和海平面气压场等。
图 1
图 1 北疆观测站点分布
Fig.1 Distribution of observational stations in northern Xinjiang
本文使用目前国际上研究气候极值变化最常见的百分位法来计算北疆夏
季极端降水,选取第 90 个百分位的日降水量定义为夏季极端降水量的阈值。
从北疆夏季极端降水阈值分布来看[图 2(a)],平均夏季极端降水阈值达
9.1 mm,超过 10 mm 的高值区主要分布在伊犁河谷东南部山区、天山山区、
乌鲁木齐和昌吉州东部,最大值出现在天池站,为 22.5 mm。结合年均夏季极
端降水量来看[图 2(b)],准噶尔盆地年均夏季极端降水量普遍低于 40 mm,
超过 50 mm 的观测站集中在伊犁河谷东南部山区、天山山区和昌吉州东部山
区,其中,天池站、天山大西沟站和小渠子站的年均夏季极端降水量超过 100
mm。1961—2017 年北疆 47 个观测站的平均夏季极端降水量总体呈上升趋势
[图 2(c)],夏季极端降水量在 1987 年首次突破 59 mm,之后又多次达
到峰值,2016 年出现这 57 年来的峰值。夏季极端降水在时间、空间上的不均
匀极易引发干旱、洪涝、泥石流等自然灾害,文中运用相关分析法和偏相关分
析法找出春季热带海温与北疆夏季极端降水紧密联系的关键区(分析结果运用
相关系数信度检验),讨论春季热带海温关键区对北疆夏季极端降水的影响,
利用合成分析法进一步探讨春季热带海温异常时影响北疆夏季极端降水的环
流特征(合成分析结果运用 t 检验方法进行信度检验),对预报预测业务提供
一定的指导。
图 2
图 2 北疆夏季极端降水阈值(a)、年均夏季极端降水量的空间分布(b)和平均
夏季极端降水量的时间变化(c) (单位:mm)
Fig.2 The extreme summer precipitation threshold (a), spatial
distribution of annual mean extreme summer precipitation (b) and temporal
variation of average extreme summer precipitation (c) in northern Xinjiang
(units: mm)
2 北疆夏季极端降水与春季热带海温的关系
2.1 北疆 夏 季 极 端 降水 与 春 季 热 带海温 的 相 关 分布
为研究影响北疆夏季极端降水的春季热带海温关键区,首先分析 1961—
2017 年这 57 年北疆夏季极端降水量的区域平均值和前期春季(3—5 月)热
带海温的相关系数分布,综合对比分析不同海域的相关系数[图 3]可以看出:
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